Плазмохимическая активация

Активация системы происходит под действием электрического поля, которое возникает при электрическом разряде в плазмотроне. Для производственных целей разработаны электродуговые мощностью около 1 мВт и сверхвысокочастотные мощностью до 50 – 100 кВт плазмотроны. В качестве плазмообразующего газа применяют гелий, азот, водяной пар и др.

В России работают 40 промышленных установок с плазмохимической активацией; они производят ацетилен, сажу, водород, синтез-газ, тугоплавкие соединения металлов (оксиды, карбиды, нитриды), волокнистые световоды.

При плазмохимических реакциях достигаются очень высокие температуры (от 10³ до 2 10⁵ К). Эти реакции необратимы и малоселективны. Однако они позволяют перерабатывать сырье самого широкого состава и в любом агрегатном состоянии. Технологии, основанные на плазмохимической активации, экономически целесообразны при низкой стоимости электрической энергии.

Механохимическая активация

• это активация системы под воздействием поглощения упругой энергии в процессе механической обработки твердого тела. При механическом воздействии в отдельных участках твердого тела создается поле напряжений. В зависимости от свойств тела, типа и режима обработки релаксация такого поля может иметь ряд последствий: выделение тепла, образование новых поверхностей, дефектов в кристаллах, появление короткоживущих активных центров. Помимо этих эффектов, трение, раскалывание, разрушение поверхностей вызывает статическую электризацию с такой концентрацией заряда, что в материале создается электрическое поле с напряженностью, достигающей 10⁷ В /см. При ударе возникают также локальные градиенты температур (600 – 800⁰С) и давлений (2 – 3 гПа).

Эффективность механического воздействия возрастает при сокращении длительности импульсов и увеличения частоты их следования. СС практической точки зрения эти требования реализуются при условии высокоскоростного удара и вибрационной обработки. Такие режимы осуществляются в планетарных и дифференциальных центробежных мельницах, в вибромельницах.

Эффекты механохимической активации легли в основу разработки механохимического синтеза карбидов, силицидов, сульфидов, нитридов металлов, интерметаллидов. Обычно эти соединения получают при температуре 1700 – 2100⁰С.

Звукохимическая активация (сонохимическая)

• активация системы под воздействием ультразвукового поля. При действии ультразвука может изменяться не только скорость, но и направление реакции. Известен целый ряд реакций, которые в отсутствии ультразвука вообще не протекают. Ультразвуковое излучение позволяет вести синтез в одну стадию с высокой селективностью.

Химическое действие ультразвуковых волн связано с явлением кавитации. Кавитация – разрыв сплошности жидкости, выражающийся в образовании и исчезновении полостей (кавитационных пузырьков) внутри жидкости под воздействием акустических полей. На поверхности кавитационного пузырька существует некомпенсированный электрический заряд. При схлопывании пузырька образуется поле напряженностью порядка 10¹¹ В/м. Возникающие электрические микроразряды способствуют ионизации и диссоциации молекул. Кроме того, в момент схлопывания локально повышается давление до 10⁴ – 10⁵ мПа и происходит мгновенный разогрев пограничных слоев жидкости, за которым следует такое же мгновенное охлаждение. В целом температура системы не повышается, поэтому процессы с ультразвуковой активацией высокоселективны.

Технически ультразвуковая активация осуществляется через пластины с излучающей поверхностью, опущенные в водную или неводную жидкую фазу и соединенные с преобразователями различного вида (гидродинамическими, электродинамическими, пьезоэлектрическими, магнитострикционными), работающими в ультразвуковом диапазоне.